高層建筑長短樁復合地基計算方法探討

翟曉力,葛忻聲

(1.山西水利職業(yè)技術學院,山西太原 030027;2.太原理工大學,山西太原 030024)

高層建筑長短樁復合地基計算方法探討

翟曉力1,葛忻聲2

(1.山西水利職業(yè)技術學院,山西太原 030027;2.太原理工大學,山西太原 030024)

介紹了長短樁復合地基承載力和沉降變形的設計計算方法,并通過長短樁復合地基的工程實例將計算結果與實測結果進行對比分析,結果表明不同的計算方法有各自的適用范圍,應根據(jù)工程的實際情況選擇適當?shù)挠嬎惴椒?可為該類長短樁復合地基承載力和沉降變形計算提供參考。

長短樁復合地基;高層建筑;承載力;沉降

0 引 言

近幾年,隨著復合地基理論和技術的發(fā)展,許多新型的復合地基被應用到工程的設計和實踐中去,長短樁復合地基就是其中的一種。長短樁復合地基既可以提高承載力,又可以減少沉降。由于長短樁復合地基的作用機理還不成熟,但已有不少學者對此進行了探討,并將之應用于實踐,提出了此類復合地基承載力和沉降的設計計算理論。

1 承載力計算

在長短樁復合地基進行設計時,一般的設計思想是承載力和變形計算分別根據(jù)長樁和短樁復合地基承載力的公式計算承載力,然后視短樁復合地基為長樁復合地基的樁間土來計算長短樁復合地基的承載力,再進行變形計算。

承載力設計計算方法有兩種:

(1)龔曉南課題組提出承載力計算公式:

復合地基承載力計算公式[1]:

式中:m1、m2分別為長樁、短樁的置換率;Ra1、Ra2分別為長樁、短樁單樁豎向承載力特征值;Ap1、Ap2分別為長樁、短樁橫截面面積;fspk、fsk分別為復合地基、樁間土的承載力特征值;β1、β2分別為短樁、樁間土強度發(fā)揮系數(shù)。

長樁、短樁單樁承載力標準值,可由載荷試驗確定或由下二式計算的小值確定:式中:fcu為與攪拌樁水泥土配方相同的立方體試塊(邊長為70.7 mm或50 mm)在標準養(yǎng)護條件下28 d齡期立方體抗壓強度平均值;li、up分別為樁在不同土層中的長度、樁周長;qsi、qp分別為不同土層樁周土的摩阻力特征值、樁端土地基承載力特征值;η、ζ為折減系數(shù)。無資料時可參照現(xiàn)行地基處理規(guī)范中攪拌樁的相關內(nèi)容選取。應用公式(1),可以通過調(diào)整長樁樁數(shù)(反映為m1值)、短樁樁數(shù)(反映為m2值)來進行優(yōu)化設計。

(2)馬驥等提出的承載力計算公式:

短樁復合地基承載力公式[2]:

式中:fsp,k1為短樁復合地基承載力標準值(kPa);A1為每根樁分擔的面積(m2);正方形等間距布樁時為2b2(b為樁間距);fk為天然地基承載力標準值(kPa);Ap1為短樁單樁截面面積;α為樁間土強度提高系數(shù);β為樁間土強度發(fā)揮度,對一般工程 β=0.9～1.0,對重要工程或變形大的建筑物,β=0.75～1.0;Rk1為短樁單樁承載力標準值(kN)。

長短樁復合地基承載力計算公式:

式中:fsp,k2為長短樁復合地基承載力標準值(kPa);fsp,k1為短樁復合地基承載力標準值(kPa);A2為每根樁分擔的面積(m2);正方形等間距布樁時,Ap2為長樁單樁截面面積(m2);Rk2為長樁承載力標準值(kN)。

2 沉降計算

目前復合地基的沉降計算理論還不成熟,但根據(jù)工程實踐和當前的理論研究提出了一些實用的沉降計算方法,主要有實體深基礎法和分層總和法兩種。

長短樁復合地基沉降計算則是利用實體深基礎法按樁長將基礎分為三部分二個加固區(qū),并把加固區(qū)增強體與基體視作一復合土體計算其復合模量,最后按分層總和法計算整個復合地基的沉降。

沉降計算方法有兩種:

(1)龔曉南課題組的復合地基沉降計算公式:

沉降計算選取圖1所示剖面圖。沿豎直方向的計算沉降區(qū)域分為三部分:長短樁復合區(qū)域、長樁區(qū)域、下臥層區(qū)域。

沉降計算中的每個區(qū)域均采用《建筑地基基礎設計規(guī)范》[3](GB50007-2002)中的方法,計算公式為:

圖1 長短樁復合地基剖面示意圖

式中:SC為計算沉降量;SH1為H1區(qū)域的計算沉降量;SH2為H2區(qū)域的計算沉降量;ψ為沉降計算修正系數(shù);p0為基礎底面處的附加壓力;Espi為天然土層與樁形成的復合模量,砂墊層的模量按書中取;Zi,Zi-1為基礎底面至第i層土、第i-1層土底面的距離 ;ˉαi,ˉαi-1為基礎底面計算點至第i層土 、第i-1層土底面范圍內(nèi)平均附加應力系數(shù);n1,n2為區(qū)域H1、區(qū)域H2內(nèi)土層數(shù)。

H1區(qū)域、H2區(qū)域內(nèi)的復合模量公式如下:

式中:Esp1、Esp2分別為H1區(qū)域、H2區(qū)域復合模量;Ep1、Ep2、Es分別為長樁、短樁、天然土的壓縮模量,其中柔性樁的取值是結合本工程的設計、施工情況并參照《復合地基》[4]而定的;m1、m2分別為長樁、短樁的置換率。

剛柔性長短樁復合地基以允許沉降量為控制指標,考慮剛性樁、柔性樁與土的共同作用來確定剛性樁的布樁量,而復合地基承載力強度是否滿足,則通過復合地基承載力驗算來核定或調(diào)整。

由于剛柔性長短樁復合地基中設置了褥墊層,以此來協(xié)調(diào)樁土共同變形,發(fā)揮樁間土的承載力,但上述公式中并未考慮土體的承載力,以及在計算沉降時沒有把下臥層土體沉降考慮在內(nèi)。

(2)閻明禮[5]等的復合地基沉降計算公式:

沉降計算選取圖2所示剖面圖,沿豎直方向的計算沉降區(qū)域分為兩部分。

圖2 長短樁復合地基剖面示意

沉降計算公式:

式中:n1為加固區(qū)1范圍土層分層數(shù);n2為加固區(qū)2范圍土層分層數(shù);n3為沉降計算深度范圍內(nèi)土層總的分層數(shù);p0對應于荷載標準值時的基礎底面處的附加壓力(kPa);Esi為基礎底面下的第i層土的壓縮模量(MPa);Zi、Zi-1分別為基礎底面計算點至第i層土,第i-1 層土底面的距離(m);ˉαi、ˉαi-1分別為基礎底面至第i層土,第i-1層土至基礎底面范圍內(nèi)平均附加應力系數(shù);φ為沉降計算修正系數(shù),根據(jù)地區(qū)沉降觀測資料及經(jīng)驗確定;ξ1為加固區(qū)1土的模量提高系數(shù);ξ2為加固區(qū)2土的模量提高系數(shù),計算時分別取值如下:

3 設計計算的探討

3.1 工程概況

太原某商住樓是帶有裙房的高層建筑。主樓的平面形狀為矩形,東西長約81 m,南北寬約18 m。地上30層,地下1層,剪力墻結構,筏板基礎,板底相對標高-6.76 m?；A底板厚1.0m,筏板落在第2層粉土層上(見表1),地下水位約在天然地面以下1.0 m。由于第二層土具有中等液化,且承載力不能滿足上部結構的要求,經(jīng)過優(yōu)化比較,整個地基處理采用CFG樁與二灰樁相結合的長短樁復合地基形式。其中二灰樁為 φ 400 mm,樁長7 m,樁端進入 2層粉土層內(nèi);CFG樁為 φ 400 mm,樁長 18 m,樁端進入4層中砂層內(nèi)。樁間距均為1 200 mm。

3.2 工程地質(zhì)條件

據(jù)該場地的《工程地質(zhì)勘察報告》可知,所屬地貌單元系汾河東岸二級階地。典型工程地質(zhì)物理力學指標如表1。

表1 典型工程地質(zhì)物理力學指標

3.3 工程實例及其設計

按照上部結構設計要求,二灰樁與CFG樁復合地基承載力特征值不小于480 kPa,CFG樁單樁承載力特征值達到550 kN。

復合地基的優(yōu)化設計問題本質(zhì)就是樁土共同作用問題[6-7],樁體復合地基設計中采用各類增強體的材料強度、剛度要遠大于基體樁間土體的強度和剛度。當置換率過大,樁體的強度越得不到發(fā)揮;置換率過小,樁間土體強度得不到充分發(fā)揮,因此,需選擇與樁土應力比相對應的置換率。本工程中,經(jīng)過優(yōu)化設計,整個基礎樁位平面布置如圖3,樁間距均為1 200 mm,長樁、短樁的置換率均為m1=m2=0.087。

圖3 長短樁復合地基樁位平面布置

3.3.1 復合地基承載力計算

方法一:利用龔曉南課題組計算公式計算

(1)CFG單樁豎向承載力特征值:

CFG單樁復合地基承載力特征值:

(2)二灰樁設計

現(xiàn)行地基處理規(guī)范中二灰樁樁身抗壓極限值fp2k可取350 kPa～500 kPa。此處取為450 kPa,由樁身截面面積已知,可計算出二灰樁的單樁承載力為Ra2=56.5 kN。

(3)長短樁復合地基承載力特征值計算

將上面計算結果代入公式(1)得

方法二:利用馬驥等計算公式計算

(1)短樁復合地基承載力

(2)長短樁復合地基承載力

3.3.2 復合地基沉降計算

基礎底面處的附加壓力為p0=370 kPa。

方法一:利用龔曉南課題組計算公式計算

復合模量與沉降計算的過程見表2、表3。

地基沉降計算深度Zn根據(jù)規(guī)范應滿足下列條件:由該深度向上取1 m所得的計算沉降量應滿足下式要求:

根據(jù)規(guī)范計算到第8層底滿足沉降計算要求,得總沉降為:

其中ψ為沉降計算經(jīng)驗系數(shù),由壓縮模量的當量值ˉEs=85.06 MPa查表確定。

表2 復合模量的計算

表3 沉降計算匯總

方法二:利用閻明禮等計算公式計算

復合模量與沉降計算的過程見表4、表5。

地基沉降計算深度Zn根據(jù)規(guī)范應滿足下列條件:由該深度向上取1 m所得的計算沉降量 ΔS′n應滿足下式要求:

根據(jù)規(guī)范計算到第8層底滿足沉降計算要求,得總沉降為:

其中 ψ為沉降計算經(jīng)驗系數(shù),由壓縮模量的當量值ˉEs=53.25 MPa查表確定。

表4 復合模量的計算

表5 沉降計算匯總

3.4 實測沉降數(shù)據(jù)與理論計算的對比

沿整個住宅樓的外墻均勻布置16個沉降觀測點,測點的值基本均勻。實測沉降觀測結果見表6,其中Smin為最小累計沉降,Smax為最大累計沉降,S為平均沉降。

表6 實測沉降觀測結果

4 結 語

設計計算與實測數(shù)據(jù)的對比見表7。

表7 設計計算與實測對比

從表7中工程實例的數(shù)據(jù)分析,可以得到以下結論:

根據(jù)該工程實例計算結果來看,承載力采用龔曉南課題組的計算方法與實測承載力大小比較接近,沉降計算采用閻明禮的計算方法與實測值比較接近。采用龔曉南課題組的計算方法進行沉降計算,S1區(qū)與S2區(qū)沉降之和僅占總沉降的4.0%,而采用閻明禮的計算方法,S1區(qū)與S2區(qū)沉降之和可達總沉降的44.4%。可見不同的計算方法有不同的適用條件。目前有關長、短樁復合地基承載力和沉降計算的理論研究嚴重滯后于工程實踐,無法更好的發(fā)揮其指導作用。現(xiàn)行各種計算方法仍然不夠完善,各種方法的適用性及相關參數(shù)的取值還需要大量實例驗證。進一步深入探討長、短樁復合地基的承載力和沉降計算對于開發(fā)和推廣其工程應用具有重要的理論和工程意義。

[1]葛忻聲,龔曉南.長短樁復合地基設計計算方法的探討[J].建筑結構,2002,(7):3-5.

[2]馬 驥,張東剛,張 震,等.長短樁復合地基設計計算[J].巖土工程技術,2001,(2):86-91.

[3]中國建筑科學研究院.JGJ79-2002.建筑地基處理技術規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002:1-200.

[4]龔曉南.復合地基理論及工程應用[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002:1-371.

[5]閻明禮,張東剛.CFG樁復合地基技術及工程實踐[M].北京:中國水利水電出版社,2001:1-351.

[6]戴 民,周云東,張 霆,等.樁土相互作用研究綜述[J].河海大學學報,2006,34(5):12-16.

[7]吳永紅,等.樁土相互研究進展與若干問題探討[C].天津市:河北省首屆巖土工程學術會議,2004.

Research on Calculation Methods for Long-short-pile Composite Foundation of High-rise Building

ZHAI Xiao-li1,GE Xin-sheng2
(1.Shanxi Vocational and Technical College of Water Conservancy,Taiyuan,Shanxi030027,China;2.Taiyuan University of Technology,Taiyuan,Shanxi030024,China)

The calculation methods for the bearing capacity and settlement deformation of long-short-pile composite foundation are introduced here,and the calculated values are compared with actual measured values through engineering examples.The results show that different calculation methodswould have respective suitable scope,the appropriate calculation method should be selected according to practical situation,meanwhile,the results could provide references to the calculation for the bearing capacity and settlement deformation of similar long-short-pile composite foundations.

long-short-pile composite foundation;high-rise building;bearing capacity;settlement

TU470+.3

A

1672—1144(2012)01—0100—05

2011-11-09

2011-12-01

國家自然基金資助項目“長短樁復合地基的變形性狀分析及其試驗研究”(50678110)

翟曉力(1975—),女(漢族),山西臨猗人,講師,在讀博士,主要從事地基與基礎工程教學與研究。